CC BY
6Топливные элементы Fuel Cells
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЩЕЛОЧНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Д. Г. Кондратьев, В. И. Матрёнин, А. Т. Овчинников, Б. С. Поспелов, Г. С. Соловьёв, А. С. Стихин, И. В. Щипаное
Уральский электрохимический комбинат г. Новоуральск, 624131, Россия Факс: (34370) 5-62-12; e-mail: pasha@ueip.ru
Основным недостатком щелочных топливных элементов (ТЭ), особенно при их использовании в автомобильном транспорте, считается карбонизация электролита углекислым газом, присутствующим в воздухе. Поэтому они могут применяться при очистке воздуха от СО2, при использовании чистых водорода и кислорода, что, на наш взгляд, вполне приемлемо и для автомобилей, и при обеспечении возможности работы на карбонизованном электролите.
Возможность использования щелочных ТЭ при очистке воздуха от СО2 не вызывает сомнений, поскольку эти элементы к настоящему времени хорошо отработаны, благодаря им достигнуты значительные результаты в области применения в автомобилях (ресурсы 5000 часов и более) и на них могут быть получены вольтам-перные характеристики заметно более высокие, чем на ТЭ с протонообменной мембраной.
Переход с воздуха на кислород одновременно с устранением проблемы карбонизации щелочного электролита существенно улучшает вольт-
амперную характеристику. При переходе на кислород отпадает необходимость в дорогостоящем и далеко не бесшумном компрессоре воздуха, который не только потребляет до 10...15 % мощности батареи ТЭ, но и создает проблемы теплового характера из-за разогрева воздуха при компремиро-вании. Становится ненужной система очистки воздуха от вредных примесей, содержащихся в городской атмосфере (SO2, NO2, CO), и от С02. Оценки, выполненные с использованием методологии и данных [1], позволяют полагать, что такой переход может быть оправдан и экономически. Техническую целесообразность замены воздуха на кислород на примере батарей ЭХГ «Фотон» и «Mark 900» иллюстрирует табл. 1.
Теперь о карбонизации электролита. Прежде всего, надо отметить, что карбонизация электролита — явление обратимое, что наглядно видно из рис. 1.
Кроме этого, как показывают наши эксперименты, карбонизация электролита никогда не бывает 100%-ой; это подтверждается данными
Табл. 1
Сравнение характеристик БТЭ на заданную мощность в 50 кВт и КПД 54 %
Характеристики БТЭ БЩТЭ БЩТЭ Водород- воздух БТЭПОМ Водород-кислород БТЭПОМ Водород- воздух
Водород-кислород
Число ТЭ 400 400 400 400 400
Напряжение одного ТЭ, мВ (соответствует КПД в 54 %) 800 800 800 800 800
Давление рабочих газов, МПа 0,7 0,4 0,4 0,4 0,4
Площадь активной поверхности ТЭ, см2 96,4 131 446,4 210 446,4
Плотность тока, мА/см2 1620 1190 350 800 350
Удельный объем БТЭ, кВт/л 5,15 3,96 1,65 3,5 1,65
Табл. 2
Экспериментальные величины равновесной карбонизации КОН в зависимости от плотности тока нагрузки и содержания СО2 в газах
Плотность тока, мА/см2 Процент карбонизации электролита при концентрации С02 (объемный процент) в газовых камерах:
в кислороде в водороде
1 • 10-4 0,34 1,24 1,2 • 10-5 1,0 4,0
108 80 80 83 75 89 95
220 44 47,6 66 46 70 86
430 25 37,5 54,4 28 52 78
Топливные элементы
Плотность тока, мА/см2
Рис. 1. Вольт-амперные характеристики водородно-кисло-родного топливного элемента в процессе эксплуатации
табл.2, в которой представлено равновесное содержание карбонатов в щелочном электролите в зависимости от плотности тока и содержания С02 в водороде и кислороде.
На основании изложенного мы считаем, что щелочные ТЭ могут рассматриваться как электрохимический источник энергии, в том числе и для автомобилей. В настоящее время работы по этим ТЭ необходимо вести по всем трем рассмотренным выше направлениям.
Список литературы
1. Thomas C.E. and others. Fuel options for the fuel cell vehicle: hydrogen, methanol or gasoline? // International Journal of Hydrogen Energy, 2000. Vol. 25 P. 551-567.
PERSPECTIVES OF ALKALINE FUEL CELL APPLICATION
D. G. Kondratyev, V. I. Matryonin, A. T. Ovchinnikov, B. S. Pospelov, G. S. Soloviov, A. S. Stikhin, I. V. Schipanov
Ural Electrochemical Integrated Plant Novouralsk, 624131, Russia Fax: (34370) 5-62-12; e-mail: pasha@ueip.ru
Carbonization of the electrolyte with airborne carbon dioxide is considered the main draw back of alkaline fuel cells (AFCs), specifically of those used in automobile transport. That's why they may be applied in cleaning the air from CO2, when clean hydrogen and oxygen are used, which, in our opinion, is quite acceptable for both automobile application and operation on carbonized electrolyte.
AFC's capability to clean the air from CO2 raises no doubts since these cells have been in operation for a long time, they have been proven to achieve quite a long lifetime in terms of automobile applications (5000 hours and more) and their voltampere performance may sensibly exceed that of proton-exchange membrane fuel cell (PEMFC).
Switching from air to oxygen solves the problem of alkaline electrolyte carbonization and at the same time notably improves the volt-ampere characteristics. It also eliminates the necessity for an expensive and quite noisy compressor that not
only consumes up to 10...15 % of a FC stack capacity but also generates thermal problems due to the heat produced during compression. A system for removing detrimental impurities contained in the urban atmosphere (SO2, NO2, CO) and from CO2 is not needed. Estimations obtained by the methods and data given in the article [1] suggest that such a switch can also be justified economically. Technical expediency for replacement of air by oxygen by the example of PHOTON and MARK 900 fuel cell generators is presented in table 1.
As far as electrolyte carbonization is concerned, we should first note the reversibility of this phenomenon illustrated in fig. 1. Besides, as proved by our tests, electrolyte carbonization never comes up to 100 %, which is shown in table 2 in terms of balanced carbon content in the alkaline electrolyte versus current density and CO2 content in hydrogen and oxygen.
Table 1
Comparison of fuel cell stack (FCS) performance at pre-set power of 50 kW and efficiency factor of 54 %
AFCS AFCS Hydrogen-air PEMFCS PEMFCS Hydrogen-air
Fuel cell stack (FCS) performance Hydrogen- Hydrogen-
oxygen oxygen
Number of FC 400 400 400 400 400
Voltage of one FC, mV (corresponds to efficiency factor of 54 %) 800 800 800 800 800
Operating gas pressure, MPa 0,7 0,4 0,4 0,4 0,4
FC active surface area, cm2 96,4 131 446,4 210 446,4
Current density, mA/cm2 1620 1190 350 800 350
FCS nominal volume, kW/l 5,15 3,96 1,65 3,5 1,65
Водородная энергетика и транспорт
Table 2
Test amount of balanced KOH versus load current density and C02 content in gases
Current density, mA/cm2 Electrolyte carbonii C02 concentration (volume nation percentage at percent) in gas chambers:
1 • 10-4 in oxygen 0,34 1,24 1,2 • 10-5 in hydrogen 1,0 4,0
108 80 80 83 75 89 95
220 44 47,6 66 46 70 86
430 25 37,5 54,4 28 52 78
We believe that alkaline fuel cells may be considered as an electrochemical source of energy, inclusive of automobile applications, and at present, work associated with this kind of FC should be conducted in all the above three directions.
References
1. Thomas C. E. and others. Fuel options for the fuel cell vehicle: hydrogen, methanol or gasoline? // International Journal of Hydrogen Energy, 2000. Vol. 25. P. 551-567.
1200 1150 1100 1050 1000 950 900 850 800 750 700
Fig. 1.
cell in
0 100 200 300 400 500 600
Current density, mA/cm2
Volt-ampere performance of hydrogen-oxygen fuel operation
